JPH06109694A - ガルバニ電池式酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造容易で信頼性の高いガルバニ電池式酸素
センサを提供する。 【構成】 酸素の電気化学的な還元に有効な触媒電極か
らなる正極６と、酸素の還元による電流を外部に導くた
めの集電体７と、鉛電極からなる負極１０と、触媒電極
６と一体に接合された有機高分子膜からなる隔膜５と、
電解液と、それらを収納する容器１とで基本的に構成さ
れたガルバニ電池式酸素センサにおいて、電解液を吸収
させた吸水膨張性部材１５を容器内１に密封し、その膨
張圧力によって隔膜５を集電体７に圧接させる。常に正
極と集電体が圧迫されているため両者の電気的接触は良
好に保たれているので、センサには出力電圧の変動や低
下が生じない。さらに、センサに外部から機械的な振動
や衝撃が印加された場合でもセンサは安定に動作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガルバニ電池式酸素セン
サの構造に関するものである。更に詳しくは、振動や衝
撃等の機械的な外力が加わった時に出力を安定に保つと
同時に量産性にも富む構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガルバニ電池式酸素センサは、酸素濃度
に応じた電圧または電流を出力するセンサであって、小
型・軽量で常温常圧で作動し信頼性も高く、しかも比較
的安価であることから、船舶内やマンホール、トンネル
内、および暖房器を使用している室内等の酸欠状態チェ
ックや、麻酔器や保育器等の医療用機器における酸素濃
度の監視等の広い分野で利用されている。

【０００３】従来より広く実用に供されているガルバニ
電池式酸素センサの一般的な構造は、図１に示すような
ものである。同図に基づいてガルバニ電池式酸素センサ
の動作原理を述べると、酸素を選択的に透過させかつ透
過量を電池反応に見合うように制限する隔膜５を通って
きた酸素は、酸素の電気化学的な還元に有効な触媒電極
からなる正極６上において還元され、電解液９を介して
負極１０との間で次のような電気化学反応を起こす。

【０００４】電解液が酸性の場合 正極反応：Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- →２Ｈ₂ Ｏ 負極反応：２Ｐｂ＋２Ｈ₂ Ｏ→２ＰｂＯ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ
^- 全反応 ：２Ｐｂ＋Ｏ₂ →２ＰｂＯ 電解液がアルカリ性の場合 正極反応：Ｏ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ＋４ｅ^- →４ＯＨ^- 負極反応：２Ｐｂ＋４ＯＨ^- →２ＰｂＯ＋２Ｈ₂ Ｏ＋４
ｅ^- 全反応 ：２Ｐｂ＋Ｏ₂ →２ＰｂＯ

【０００５】電解液９が酸性の場合とアルカリ性の場合
とでは電荷の担い手は異なるが、いずれの場合も正極６
と負極１０との間に酸素濃度に応じた電流が生ずる。触
媒電極上の正極反応によって生じた電流は、センサ容器
中蓋３とそれを締め付けるセンサ容器蓋２ｂによって正
極に圧接された集電体７に集められ、正極リード線８に
よって外部に導かれる。通常、電流は温度補償用のサー
ミスタ素子１２を通して負極に流れ込むことによって電
圧信号に変換され、センサ出力電圧が得られる。また、
各部材は樹脂製のセンサ容器２ａによって適当な配置で
保持され、電解液９はＯ−リング４によって外部に漏出
しないようにシールされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ガルバニ電池式酸素セ
ンサを安定に動作させるためには、酸素が反応する正極
部分を化学的および物理的に安定に保つことが重要であ
り、正極上で生じた電流を集電体、サーミスタ素子を通
じてすみやかに負極に流す必要がある。このため集電体
と正極との接触抵抗が問題となる。酸素が正極上で反応
して起きる還元電流はすべて集電体を通って負極の鉛へ
流れるので、集電体と触媒電極との接触抵抗の変動はそ
のままセンサ出力の変動となり、精度のよい測定はでき
なくなる。触媒電極としての正極は厚さ数百オングスト
ローム〜数ミクロンメートルの貴金属の薄膜であるた
め、正極と集電体とを半田付けや溶接で電気的につなげ
ることは困難で、通常図１に示すように、正極６と集電
体７とをセンサ容器２により機械的に圧迫して接触させ
電気的導通を取っている。

【０００７】このようなガルバニ電池式酸素センサを製
造するには、多くの工程と作業者の熟練が必要である。
すなわち、まずセンサ容器２ａに正極リード８、集電体
７、正極６が一体に接合された隔膜５、Ｏ−リング４、
容器中蓋３を正確な位置に配し、次いで容器蓋２ｂを一
定の強さで締め付ける。更に、負極１０を取り付けて電
解液９を注入し、電解液９の注入口やリードの取り出し
部分を充填剤等で封止するというものである。

【０００８】このとき各部材の位置がずれたり容器蓋２
ｂの締め付け強さが一定でなかったりすると、正極６と
集電体７との圧迫力が不安定になり正極６と集電体７と
の電気的接触が悪くなり、出力電圧の変動や低下を生ず
る。さらに、圧迫力が不足しているセンサに外部から機
械的な振動や衝撃が加わると、隔膜５と正極６との接合
が剥離して薄い電解液の層が介在し、触媒電極としての
正極６上への酸素の供給が不安定となり、応答速度が低
下するという問題もある。

【０００９】また、センサの使用される環境によって
は、樹脂製のセンサ容器が熱的あるいは経時的に寸法変
化をきたし圧迫力が変化することにより同様にセンサ出
力が不安定になるという問題もある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、水分を吸収す
ることにより体積が大きく膨張する部材に電解液を吸収
させたものをガルバニ電池式酸素センサの容器内に密封
し、該部材の膨張圧力により正極と集電体とを圧迫して
接触させ電気的導通を取る構造とすることにより、セン
サ出力不安定の問題を解決しようとしたものである。

【００１１】

【作用】水分を吸収すると体積が大きく膨張するような
材料に一定量の電解液を含ませて、予め正極と集電体を
設置したセンサ容器内に密封すると、膨張圧力によって
正極と集電体とが一定の圧力によって接触し、安定な出
力のセンサを得ることができる。また、常に正極と集電
体が圧迫されているため両者の電気的接触は良好に保た
れているので、センサには出力電圧の変動や低下が生じ
ない。さらに、センサに外部から機械的な振動や衝撃が
印加された場合でもセンサは安定に動作する。

【００１２】また、センサの使用される環境によってセ
ンサ容器が熱的あるいは経時的に寸法変化をきたしたと
しても、変化分に比べて膨張分ははるかに大きいため圧
迫力が変化することはなく同様にセンサ出力は安定に保
たれる。

【００１３】

【実施例】本発明による効果を効率よく実現するガルバ
ニ電池式酸素センサの実施例について、その断面構造を
図２に示す。同図において、１ａは被測定気体の導入口
１４を設けた正極容器、１ｂは負極としての鉛板１０を
取り付けた負極容器である。量産性を考慮して、容器１
の材質には耐蝕合金（例えば昭和電工（株）製商標名Ｓ
ＧＯＭＡＣ）を用い、センサ出力の取り出し端子を兼ね
たかしめ構造としてある。１５は電解液を吸収させて膨
張させたセルローズスポンジ材料で、気孔率（空隙率）
９８％の原反を高圧のロールプレス等で圧縮成型したも
のである。この材料は水分を吸収することによって圧縮
された方向に約２０倍膨張する。５は厚みが２５〜５０
ミクロンメートルの無孔性フッ素系高分子薄膜よりなる
隔膜、６は触媒としての金をスパッタリングにより隔膜
５に一体に接合した正極、７は多孔性焼結カーボンより
なる集電体、８はチタン網よりなる正極リード、１３は
導入孔１４を通った酸素が均一に拡散するためおよび隔
膜５の外気による汚損を防止するための多孔性フッ素樹
脂膜よりなる保護膜であり、これらの各部材は電解液を
含んだセルローズスポンジ１５の膨張圧力によって一体
に圧迫されている。１１ａは、電解液の外部漏出を防止
するためおよび正極容器１ａと負極容器１ｂとを電気的
絶縁するためのガスケットである。この実施例では電解
液としては酢酸ー酢酸カリウムー酢酸鉛系酸性水溶液ま
たは水酸化カリウム水溶液を用いた。１２はセンサ出力
を電圧に変換するとともに温度補償をおこなうためのサ
ーミスタ素子である。

【００１４】本実施例のセンサを用いて標準ガスの酸素
濃度を試験計測したところ、０〜１００％の酸素濃度の
範囲において、測誤差が±１％以内とガルバニ電池式酸
素センサとして良好なものであった。また、同じセンサ
を毎分３６０度の回転速度で振動させた場合および２０
ｃｍの高さから木机上に落下させた場合のいずれにおい
ても、出力の変動幅が±２％以内と良好なものであっ
た。また、本実施例のセンサを組み立てるのに要した工
数は従来のセンサに比べて約３分の１となり、非常に量
産性に優れたものであった。

【００１５】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
外部からの機械的な振動、衝撃や応力に対する耐久性や
長期にわたる信頼性に優れたガルバニ電池式酸素センサ
を得ることができる。この効果は実施例のセンサのみな
らず、センサを電解液を吸収することにより膨張する樹
脂をセンサ容器内に密封せしめ、その膨張圧力で正極と
集電体とを圧接する構造とすることによって得られる。
また、本発明によれば、正極と集電体とを圧接するため
に容器をねじ締め構造等の複雑な構造をとる必要がな
く、部品点数も少なくでき量産性に優れたガルバニ電池
式酸素センサを得ることができる。従って、本発明によ
るセンサを用いることにより誤動作等の無い信頼性の高
い酸素濃度計や酸欠警報機等が得られ、産業上の発展に
寄与すること非常に大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のガルバニ電池式酸素センサの構造を示す
図である。

【図２】本発明の１実施例にかかるガルバニ電池式酸素
センサを示す図である。

【符号の説明】

１ａ 正極容器 １ｂ 負極容器 ２ａ センサ容器 ２ｂ センサ容器蓋 ３ センサ容器中蓋 ４ Ｏ−リング ５ 隔膜 ６ 正極 ７ 集電体 ８ 正極リード線 ９ 電解液 １０ 負極 １１ａ ガスケット １１ｂ 絶縁体 １２ サーミスタ素子 １３ 保護膜 １４ ガス導入口 １５ 電解液を吸収させたセルローススポンジ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素の電気化学的な還元に有効な触媒電
   極からなる正極（６）と、酸素の還元による電流を外部
   に導くための集電体（７）と、鉛電極からなる負極（１
   ０）と、触媒電極（６）と一体に接合された有機高分子
   膜からなる隔膜（５）と、電解液と、それらを収納する
   容器（１）とで基本的に構成されたガルバニ電池式酸素
   センサにおいて、 電解液を吸収させた吸水膨張性部材（１５）を容器内
   （１）に密封し、その膨張圧力によって隔膜（５）を集
   電体（７）に圧接したことを特徴とするガルバニ電池式
   酸素センサ。